JP2003268674A - Method for producing sized carbon fiber bundle and chopped carbon fiber - Google Patents
Method for producing sized carbon fiber bundle and chopped carbon fiberInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、熱可塑性樹脂をマ
トリックスとする炭素繊維強化樹脂の製造に適した、サ
イズされた炭素繊維束の製造方法およびその製造方法を
用いたチョップド炭素繊維に関するものであり、特に単
繊維本数が多く総繊度が大きいサイズされた炭素繊維束
を好適に製造する方法およびその方法で得られる炭素繊
維束を原料とするチョップド炭素繊維に関するものであ
る。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a sized carbon fiber bundle, which is suitable for producing a carbon fiber reinforced resin having a thermoplastic resin as a matrix, and a chopped carbon fiber using the method. In particular, the present invention relates to a method for suitably producing a carbon fiber bundle having a large number of single fibers and a large total fineness, and a chopped carbon fiber using the carbon fiber bundle obtained by the method as a raw material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】炭素繊維強化樹脂は、非強化の樹脂に比
べて強度、剛性、寸法安定性にはるかに優れているた
め、事務機器や自動車分野など様々な分野で広く利用さ
れている。炭素繊維の需要は年々増えており、航空機・
スポーツ等のプレミアム用途から建築、土木、エネルギ
ー関係の一般産業用途へ需要が移行してきており、炭素
繊維に対する要求も厳しく、性能だけでなく価格の低減
が大きな課題となっている。そのため近年、価格の低減
に向けてより単繊維本数が多く総繊度が大きい炭素繊維
束が供給されるようになってきている。2. Description of the Related Art Carbon fiber reinforced resins are much more excellent in strength, rigidity and dimensional stability than non-reinforced resins and are therefore widely used in various fields such as office equipment and automobile fields. The demand for carbon fiber is increasing year by year.
Demand is shifting from premium applications such as sports to general industrial applications related to construction, civil engineering, and energy, and the demands on carbon fiber are strict, and not only performance but also price reduction is a major issue. Therefore, in recent years, carbon fiber bundles having a large number of single fibers and a large total fineness have been supplied in order to reduce the price.
【０００３】炭素繊維強化樹脂の製造法としては様々な
方法があるが、よく用いられている方法は、通常３〜１
０ｍｍ程度の長さに切断されたチョップド炭素繊維を樹
脂ペレットあるいは樹脂パウダーと共に押出機で溶融混
練して繊維強化ペレットとし（これをコンパウンド工程
という）、これを射出成形によって成形品とする方法で
ある。このような工程に供されるチョップド炭素繊維
は、定量的にかつ安定的に供給するために、サイジング
剤で集束させた形態で使用されるのが通常で、このサイ
ジング剤で集束されたチョップド炭素繊維は、スクリュ
ーフィーダー等により押出機に連続的に自動計量の下に
供給される。There are various methods for producing the carbon fiber reinforced resin, but the method that is often used is usually 3 to 1
This is a method in which chopped carbon fibers cut to a length of about 0 mm are melt-kneaded together with resin pellets or resin powder in an extruder to form fiber-reinforced pellets (this is called a compounding step), and this is made into a molded product by injection molding. . The chopped carbon fiber to be subjected to such a step is usually used in a form of being bundled with a sizing agent in order to quantitatively and stably supply the chopped carbon fiber, which is bundled with the sizing agent. The fibers are continuously fed to the extruder under automatic weighing by a screw feeder or the like.
【０００４】この際に、チョップド炭素繊維を定量的に
かつ安定的に供給するための特に重要な指標はチョップ
ド炭素繊維の流動性であり、この指標が大きくないと、
極端な場合には、チョップド炭素繊維が供給部ホッパー
で閉塞して押出機に供給されなくなることがある。従来
から粉体を取り扱う分野では、ホッパーでの粉体の流動
性と摩擦係数、安息角、嵩密度、形状因子などの種々の
特性値との間に相関関係があることが知られている。例
えば、粉体の摩擦係数は低いほど、安息角は小さいほ
ど、また嵩密度は高いほど流動性が高くなることが知ら
れている。しかし、チョップド繊維の場合には、粉体の
場合よりも、チョップド繊維自体の形状因子が、これら
の特性値に大きな影響を与えるのである。そのため、例
えば安息角の場合について云えば、その特性値を得るた
め、チョップド繊維の集合体を堆積して円錐体を形成さ
せる必要があるが、得られる安息角の値は、円錐体の大
きさの影響や堆積させる条件（落下高さ、落下量の速度
等）の影響を受け、理想的な円錐形状にならないこと、
測定試料量の影響を受けることなど測定条件により異な
ってくる。その結果、流動性のある程度の目安にはなる
ものの、最終的には実際に押出機で確認試験を行なわざ
るを得ないのが実状である。At this time, a particularly important index for quantitatively and stably supplying the chopped carbon fiber is the fluidity of the chopped carbon fiber, and if this index is not large,
In extreme cases, chopped carbon fibers may be blocked by the feed hopper and not fed to the extruder. In the field of handling powder, it has been known that there is a correlation between the fluidity of the powder in the hopper and various characteristic values such as the friction coefficient, the angle of repose, the bulk density, and the shape factor. For example, it is known that the lower the friction coefficient of a powder, the smaller the angle of repose, and the higher the bulk density, the higher the fluidity. However, in the case of chopped fiber, the shape factor of the chopped fiber itself has a greater influence on these characteristic values than in the case of powder. Therefore, for example, in the case of the angle of repose, it is necessary to deposit an aggregate of chopped fibers to form a cone in order to obtain its characteristic value.The value of the angle of repose obtained is the size of the cone. The shape of the cone does not become ideal due to the influence of the temperature and the conditions of deposition (fall height, drop velocity, etc.),
It depends on the measurement conditions, such as being affected by the amount of sample to be measured. As a result, although it can be used as a measure of the fluidity to some extent, in the end it is actually necessary to actually carry out a confirmation test with an extruder.
【０００５】また、チョップド炭素繊維の流動性は、チ
ョップド炭素繊維が粉体の場合に比べて、粒径に相当す
る寸法が極めて大きく、形状が棒状あるいはフレーク状
であること、および炭素繊維においては、単繊維本数の
少ない繊維束を合糸して処理するガラス繊維と異なり、
通常単繊維本数が多く総繊度が大きい繊維束であること
から、これらから得られるチョップド炭素繊維はチョッ
プドガラス繊維よりも流動性が低くなるのが一般的であ
った。そのため、繊維強化樹脂をより高性能化しコスト
パーフォマンスを高めて、チョップド炭素繊維がチョッ
プドガラス繊維に置き換わるような素材となるために
は、ガラス繊維で従来用いられている装置で、ガラス繊
維と同等の工程通過性を有し、生産性の低下を招かない
ことが求められてきた。As for the fluidity of chopped carbon fibers, the size corresponding to the particle size is much larger than that of the chopped carbon fibers in the form of powder, and the shape is rod-like or flake-like. , Unlike glass fiber, which is processed by combining fiber bundles with a small number of single fibers,
Since it is a fiber bundle having a large number of single fibers and a large total fineness, chopped carbon fibers obtained from them generally have lower fluidity than chopped glass fibers. Therefore, in order to improve the performance of the fiber reinforced resin and improve the cost performance, and to become a material that replaces chopped carbon fiber with chopped glass fiber, the equipment conventionally used for glass fiber is equivalent to glass fiber. It has been demanded that it should be process-passable and not reduce productivity.
【０００６】チョップド炭素繊維の流動性や集束性の改
良に関しては、公知の粉体の取り扱い技術や、チョップ
ド炭素繊維に極めて類似するチョップドガラス繊維の技
術を参考にして、例えば特開平５−２６１７２９号公報
および特開平５−２６１７３０号公報等で種々の技術が
提案されているが、上記の問題を完全に解決できるまで
には至っていない。特に、従来、チョップド炭素繊維
は、単繊維本数１，０００本から３０，０００本程度の
連続繊維を原料として製造されてきたのが、近年、炭素
繊維の低コスト化要求に伴い、従来より単繊維本数が多
く総繊度が大きい繊維束の炭素繊維が製造されるように
なり、これらの炭素繊維を原料としたチョップド炭素繊
維が製造されるようになってきたが、このような炭素繊
維から製造されるチョップド炭素繊維は、扁平なものと
なり易く、それに伴い、チョップド炭素繊維の流動性や
集束性が低下するなど、上記の問題がさらに顕在化する
ようになってきた。Regarding the improvement of the fluidity and the sizing property of the chopped carbon fiber, the known powder handling technique and the technique of the chopped glass fiber which is very similar to the chopped carbon fiber are referred to, for example, JP-A-5-261729. Various techniques have been proposed in the gazette and Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-261730, but the above problems have not been completely solved. In particular, conventionally, chopped carbon fibers have been manufactured using 1,000 to 30,000 single fibers as a raw material. Carbon fibers with a large number of fibers and a large total fineness have come to be produced, and chopped carbon fibers have been produced from these carbon fibers as raw materials. The above chopped carbon fibers tend to be flat, and accordingly, the above-mentioned problems are becoming more apparent, such as a decrease in the fluidity and bundleability of the chopped carbon fibers.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、主と
して炭素繊維強化樹脂に供するに適した、流動性、集束
性に優れたチョップド炭素繊維およびその原料である炭
素繊維束の製造方法を提供することにあり、更に詳しく
は、炭素繊維の低コスト化要求に伴なう、単繊維本数が
多く総繊度が大きい炭素繊維束を原料としてチョップド
炭素繊維を製造するに際して、炭素繊維束の高扁平度化
に起因して生ずる、チョップド炭素繊維流動性および集
束性の低下の問題を解決することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a chopped carbon fiber excellent in fluidity and bundling property, which is suitable mainly for carbon fiber reinforced resin, and a method for producing a carbon fiber bundle which is a raw material thereof. More specifically, when manufacturing chopped carbon fibers from a carbon fiber bundle having a large number of single fibers and a large total fineness as a raw material, which is accompanied by a demand for cost reduction of carbon fiber, a high flatness of the carbon fiber bundle is achieved. It is to solve the problem of deterioration of chopped carbon fiber fluidity and bundling property caused by deterioration.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明のサイズされた炭
素繊維束の製造方法は、上記課題を解決するために、次
の構成を有する。すなわち、単繊維本数が１．５万〜１
００万の範囲で束ねられた連続炭素繊維束に、粘度が
０．０１〜０．１ポイズであるサイジング液でサイジン
グ処理を行った後、さらに粘度０．２〜２０ポイズであ
るサイジング液でサイジング処理を行うことを特徴とす
る、サイズされた炭素繊維束の製造方法である。In order to solve the above-mentioned problems, the method for producing a sized carbon fiber bundle of the present invention has the following constitution. That is, the number of single fibers is 15,000 to 1
A continuous carbon fiber bundle bundled in the range of, 000,000 is subjected to a sizing treatment with a sizing liquid having a viscosity of 0.01 to 0.1 poise, and then sizing with a sizing liquid having a viscosity of 0.2 to 20 poise. A method for producing a sized carbon fiber bundle, which comprises performing a treatment.
【０００９】また、本発明のチョップド炭素繊維は、上
記課題を解決するために、次の構成を有する。すなわ
ち、上記の製造方法で製造される、サイズされた炭素繊
維束を長さ１〜１０ｍｍに切断して得られるチョップド
炭素繊維である。The chopped carbon fiber of the present invention has the following constitution in order to solve the above problems. That is, it is a chopped carbon fiber obtained by cutting the sized carbon fiber bundle produced by the above production method into a length of 1 to 10 mm.
【００１０】このような本発明によれば、従来より単繊
維本数が多く総繊度が大きい繊維束より製造されたチョ
ップド炭素繊維において、集束性、嵩密度共に優れ、品
質が良好なものを得ることができる。According to the present invention as described above, a chopped carbon fiber produced from a fiber bundle having a large number of single fibers and a large total fineness as compared with a conventional one is obtained in which the bundle density and the bulk density are excellent and the quality is good. You can
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】以下に、本発明について、望まし
い実施の形態とともに詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below along with preferred embodiments.
【００１２】本発明においては、単繊維本数が１．５万
〜１００万の範囲で束ねられた連続炭素繊維束、いわゆ
る多フィラメント炭素繊維束を用いる。特に、単繊度が
０．３〜２ｄｔｅｘ、好ましくは０．６〜１ｄｔｅｘで
あり、１ｍ当たりの撚り数が０〜１０回である炭素繊維
束を用いることが好ましい。また、連続繊維束は、スト
ランド引張り強度が２０００〜７０００ＭＰａ、ストラ
ンド引張り弾性率が１５０〜５００ＧＰａ、単繊維直径
が５〜１０μｍを有するものを用いるのが、複合材料に
使用するものとして好ましい。In the present invention, a continuous carbon fiber bundle in which the number of single fibers is bundled in the range of 15,000 to 1,000,000, that is, a so-called multifilament carbon fiber bundle is used. In particular, it is preferable to use a carbon fiber bundle having a single fineness of 0.3 to 2 dtex, preferably 0.6 to 1 dtex, and a twist number of 0 to 10 per 1 m. As the continuous fiber bundle, one having a strand tensile strength of 2000 to 7,000 MPa, a strand tensile elastic modulus of 150 to 500 GPa, and a single fiber diameter of 5 to 10 μm is preferably used as a composite material.
【００１３】本発明では、連続繊維束に、第１段のサイ
ジング液でサイジング処理を行った後、さらに、第２段
のサイジング液でサイジング処理を行うという、少なく
とも２段階に分けてサイジング処理を行うが、ここで、
第１段のサイジング液を粘度０．０１〜０．１ポイズと
し、かつ、第２段のサイジング液を粘度０．２〜２０ポ
イズとするのである。サイジング液に使用するサイジン
グ剤は、集束性を付与できるものであれば、熱硬化性樹
脂、熱可塑性樹脂のいずれを含んでいても良い。またサ
イジング剤の種類は同一または異なっても使用できる
が、均一性を高め複合材料の特性を安定して得るために
は同一のものが好ましい。例えば、ウレタン樹脂、エポ
キシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、エポキシ変性ウ
レタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェーノル樹脂、ポリ
アミド樹脂、変性ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹
脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ビスマ
レイミド樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホ
ン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルピロリ
ドン樹脂およびポリアクリル樹脂からなる群より選ばれ
る少なくとも１種の樹脂が用い得る。この樹脂を、通
常、水を媒体として、水分散液または水溶液としたサイ
ジング液となすのが、人体への安全性の面及び自然環境
を汚さないという環境対策の面からも好ましい。なお、
そのような水分散液または水溶液には発明の目的を損な
わない程度で若干の有機溶剤を含んでいてもよい。サイ
ジング液の粘度は、サイジング剤として用いる化合物の
性状（固状、液状）や分子量、サイジング液の濃度や液
温により制御することができる。また、水分散液の場合
はエマルジョン径によっても制御することができる。In the present invention, the continuous fiber bundle is subjected to sizing treatment with the first-stage sizing liquid and then further subjected to sizing treatment with the second-stage sizing liquid. Do, but here
The viscosity of the first-stage sizing liquid is 0.01 to 0.1 poise, and the viscosity of the second-stage sizing liquid is 0.2 to 20 poise. The sizing agent used in the sizing liquid may contain either a thermosetting resin or a thermoplastic resin, as long as it can impart bundling properties. Further, the sizing agents may be used in the same kind or different kinds, but the same kind is preferable in order to enhance the uniformity and stably obtain the characteristics of the composite material. For example, urethane resin, epoxy resin, urethane modified epoxy resin, epoxy modified urethane resin, polyester resin, phenol resin, polyamide resin, modified polyamide resin, polycarbonate resin, polyimide resin, polyetherimide resin, bismaleimide resin, polysulfone resin, poly At least one resin selected from the group consisting of ether sulfone resin, polyvinyl alcohol resin, polyvinylpyrrolidone resin and polyacrylic resin can be used. It is preferable to use this resin as a sizing solution, which is usually an aqueous dispersion or an aqueous solution using water as a medium, from the viewpoints of safety to the human body and environmental measures such as not polluting the natural environment. In addition,
Such an aqueous dispersion or aqueous solution may contain a small amount of an organic solvent as long as the object of the invention is not impaired. The viscosity of the sizing liquid can be controlled by the properties (solid or liquid) and molecular weight of the compound used as the sizing agent, the concentration of the sizing liquid and the liquid temperature. In the case of an aqueous dispersion, it can also be controlled by the emulsion size.
【００１４】本発明において、第１段のサイジング液で
のサイジング処理では、サイジング液の粘度が０．０１
〜０．１ポイズである。サイジング液の粘度が小さい範
囲のものを用いるので、多フィラメント炭素繊維束の内
部にまでサイジング液を浸透させることができるため、
後述する第２段のサイジング液でのサイジング処理後に
切断したチョップド炭素繊維において、フリーファイバ
ーのないチョップド炭素繊維となる。ここで、フリーフ
ァイバーとは、例えばチョップド炭素繊維を縦に割いた
ときに毛羽立つ、単繊維が数本から数百本の集合したも
のを意味している。ここでのサイジング液の粘度が大き
すぎると、多フィラメント炭素繊維束の内部にまで液を
浸透させることができず、無理に浸透させようとして
も、ローラでしごきを加えるなどの繊維自体を傷める操
作が必要になる一方、サイジング液を均一に内部まで含
浸できない。第１段のサイジング液は、サイジング剤の
濃度を１〜３０ｇ／Ｌ、好ましくは５〜２５ｇ／Ｌ、よ
り好ましくは１０〜２０ｇ／Ｌとし、サイジング処理す
る際の液温を０〜５０℃とすることにより所望の粘度と
できることが多い。In the present invention, the viscosity of the sizing liquid is 0.01 in the sizing treatment with the first sizing liquid.
~ 0.1 poise. Since the viscosity of the sizing liquid is small, it is possible to penetrate the sizing liquid even inside the multifilament carbon fiber bundle,
The chopped carbon fibers cut after the sizing treatment with the second-stage sizing liquid described later become chopped carbon fibers without free fibers. Here, the free fiber means, for example, a collection of several to several hundreds of single fibers, which are fluffy when chopped carbon fibers are vertically split. If the viscosity of the sizing solution here is too high, the solution cannot penetrate into the inside of the multifilament carbon fiber bundle, and even if you try to force it into the fiber, you can iron it with a roller and damage the fiber itself. However, the sizing liquid cannot be uniformly impregnated into the inside. The concentration of the sizing agent in the first-stage sizing liquid is 1 to 30 g / L, preferably 5 to 25 g / L, more preferably 10 to 20 g / L, and the liquid temperature during sizing treatment is 0 to 50 ° C. By doing so, the desired viscosity can be achieved in many cases.
【００１５】第１段のサイジング液でのサイジング処理
において、連続炭素繊維束の内部にできる限り均一にサ
イジング液を浸透させるために、ローラ全部が液に浸漬
された、いわゆる液没ローラや、ローラの一部が液に浸
漬された、いわゆる液浸ローラなど、少なくとも一部が
サイジング液に浸漬して設けられたローラを用いて、連
続炭素繊維束をサイジング液に浸漬する手段が通常用い
られる。本発明では、主に炭素繊維束に付与する張力や
ローラ形状を調節することによって、かかるローラ上で
の炭素繊維束を５０倍以上の幅／厚み比とするのが良
い。そのようなローラ上の炭素繊維束の幅／厚み比が５
０倍未満であると、多フィラメント炭素繊維束の内部に
までサイジング液が均一に浸透しない現象が生じやす
く、引き続く第２段のサイジング液でのサイジング処理
後に切断して得られるチョップド炭素繊維においてフリ
ーファイバーが多くなることがある。In the sizing treatment with the first-stage sizing liquid, in order to make the sizing liquid penetrate into the continuous carbon fiber bundle as evenly as possible, the so-called liquid immersion roller or roller in which all the rollers are immersed in the liquid. A means for immersing the continuous carbon fiber bundle in the sizing liquid using a roller provided by immersing at least a part in the sizing liquid, such as a so-called liquid immersion roller in which a part of the above is immersed in the liquid, is usually used. In the present invention, it is preferable that the width / thickness ratio of the carbon fiber bundle on the roller be 50 times or more by adjusting the tension applied to the carbon fiber bundle and the roller shape. The width / thickness ratio of the carbon fiber bundles on such a roller is 5
If it is less than 0 times, the phenomenon that the sizing liquid does not evenly penetrate into the inside of the multifilament carbon fiber bundle is likely to occur, and the chopped carbon fiber obtained by cutting after the subsequent sizing treatment with the second sizing liquid is free. There may be many fibers.
【００１６】第２段のサイジング液でのサイジング処理
に供する前の炭素繊維束にはサイジング剤が通常０．１
〜２重量％付着しているようにする。また、第１段のサ
イジング液でのサイジング処理後、サイジング液に水を
媒体として用いた場合には、乾燥などによって水分を除
去し、第２段のサイジング液でのサイジング処理に供す
る前の炭素繊維束における含水率を０．１重量％以下と
しておくことが、引き続く第２段のサイジング処理にお
いて用いるサイジング液の濃度管理を容易にするために
は好ましい。The sizing agent is usually added to the carbon fiber bundle before being subjected to the sizing treatment with the second-stage sizing solution in an amount of 0.1.
~ 2% by weight should be adhered. When water is used as a medium in the sizing liquid after the sizing treatment in the first sizing liquid, water is removed by drying or the like, and the carbon before the sizing treatment in the second sizing liquid is provided. The water content in the fiber bundle is preferably set to 0.1% by weight or less in order to facilitate the control of the concentration of the sizing liquid used in the subsequent second-stage sizing treatment.
【００１７】第２段のサイジング液でのサイジング処理
においては、サイジング液の粘度が０．２〜２０ポイ
ズ、好ましくは０．５〜１５ポイズである。チョップド
炭素繊維の集束性を高めるために、ガイドの接触部分に
設けた孔またはスリットのガイドよりサイジング剤液を
送り出して付与する、いわゆるガイド給油方式を採用す
るのがよい。またサイジング液の粘度を大きな範囲とし
ているので、太繊度の炭素繊維束の外側を覆うようにサ
イジング付与でき、炭素繊維束を切断して得られるチョ
ップド炭素繊維は、集束性、嵩密度ともに優れたものと
なる。ここで用いるサイジング液の粘度が低すぎると、
太糸条の炭素繊維走行時にサイジング液を持ち出すこと
ができず、所定の量までサイジング剤を付与させること
が困難になる一方、粘度が高すぎると、走行時の炭素繊
維が持ち出すサイジング液の量が多くなりすぎるため、
サイジング剤の付着量が大きくなりすぎ、サイジング剤
の付着量を制御することが困難となる。第２段のサイジ
ング液は、サイジング剤の濃度を３０〜３００ｇ／Ｌ、
好ましくは４０〜１００ｇ／Ｌ、より好ましくは４０〜
８０ｇ／Ｌとし、サイジング処理する際の液温を０〜５
０℃とすることにより所望の粘度とできることが多い。In the sizing treatment with the second-stage sizing liquid, the viscosity of the sizing liquid is 0.2 to 20 poise, preferably 0.5 to 15 poise. In order to improve the bundling property of the chopped carbon fibers, it is preferable to adopt a so-called guide oil supply system in which the sizing agent liquid is fed and applied from a guide of a hole or slit provided in the contact portion of the guide. Moreover, since the viscosity of the sizing liquid is set to a large range, sizing can be applied so as to cover the outside of the carbon fiber bundle of large fineness, and the chopped carbon fiber obtained by cutting the carbon fiber bundle has excellent bundling property and bulk density. Will be things. If the viscosity of the sizing liquid used here is too low,
It is difficult to bring out the sizing liquid when the thick fiber carbon fiber is running, and it becomes difficult to apply the sizing agent to a predetermined amount, while if the viscosity is too high, the amount of sizing liquid that the carbon fiber carries out when running Too many,
The adhesion amount of the sizing agent becomes too large, and it becomes difficult to control the adhesion amount of the sizing agent. The second-stage sizing solution has a sizing agent concentration of 30 to 300 g / L,
Preferably 40-100 g / L, more preferably 40-
80 g / L and the liquid temperature during sizing treatment is 0 to 5
In many cases, the desired viscosity can be achieved by setting the temperature to 0 ° C.
【００１８】さらに、第２段のサイジング液でのサイジ
ング処理により付着させるサイジング剤の量は、繊維束
内部に含浸する分を補完するために第１段のサイジング
液でのサイジング処理により付着させるサイジング剤の
量より多くし、１〜５重量％程度とすることが好まし
い。また、第１段目のサイジング処理後繊維束を乾燥し
て、一旦巻き取り、その後第２段のサイジング液でのサ
イジング処理を行っても問題はない。Further, the amount of the sizing agent attached by the sizing treatment with the second-stage sizing liquid is determined by the sizing treatment with the first-stage sizing liquid in order to complement the amount impregnated inside the fiber bundle. It is preferable that the amount is larger than the amount of the agent, and about 1 to 5% by weight. Further, there is no problem even if the fiber bundle is dried after the first-stage sizing treatment, once wound up, and then the sizing treatment with the second-stage sizing liquid is performed.
【００１９】第２段のサイジング液でのサイジング処理
がなされた繊維束におけるサイジング剤の総付着量は、
１．０〜１０重量％とするのがよい。これが少なすぎる
と、得られる繊維束の集束性が不足し、チョップド繊維
がばらけやすく取り扱い性が悪くなることがある一方、
多くなりすぎると、そのチョップド繊維を用いて繊維強
化樹脂としたときに、マトリックス樹脂に対するサイズ
剤の量が多くなるため、繊維強化樹脂の性能低下の原因
となることがある。The total amount of the sizing agent deposited on the fiber bundle that has been subjected to the sizing treatment with the second-stage sizing solution is:
It is preferable to be 1.0 to 10% by weight. If this is too small, the bundleability of the resulting fiber bundle may be insufficient, and the chopped fibers may be easily separated, while the handleability may deteriorate.
When the amount is too large, when the chopped fiber is used as a fiber reinforced resin, the amount of the sizing agent with respect to the matrix resin is increased, which may cause deterioration of the performance of the fiber reinforced resin.
【００２０】チョップド炭素繊維を得るため本発明の炭
素繊維束は切断されるが、その繊維長は、通常１〜１０
ｍｍ、好ましくは３〜８ｍｍに設定される。切断工程
は、第２段のサイジング液でのサイジング処理後、一旦
乾燥した後にあっても、第２段のサイジング液でのサイ
ジング処理後、乾燥する前にあってもよいが、得られる
チョップド繊維の品質を高めるためには乾燥する前にあ
った方がよい。乾燥前に切断した場合には、切断された
チョップド繊維を乾燥して水などの媒体を除去する。The carbon fiber bundle of the present invention is cut to obtain chopped carbon fibers, but the fiber length is usually 1 to 10.
mm, preferably 3 to 8 mm. The cutting step may be performed after the sizing treatment with the second stage sizing solution and once drying, or after the sizing treatment with the second stage sizing solution and before the drying. In order to improve the quality of, it is better to be before drying. If cut prior to drying, the chopped fibers that have been cut are dried to remove media such as water.
【００２１】繊維束を切断する装置としては、ロービン
グカッター等のロータリー式カッターや、ギロチンカッ
ター等、通常ガラス繊維において用いられているカッタ
ーを同様に用いることができる。特に、サイジング液で
濡れた繊維束を切断する場合には、ローラー等の回転部
に付着しようとする、あるいは付着したチョップド繊維
をブラシ等で除去しつつ切断するのがよい。特に、切断
の際に、繊維束の撚数、充填密度、含液率を適正な範囲
に制御すると、適正な割合でチョップド炭素繊維が繊維
軸方向に縦割れ分断して、流動性や集束性がより改善さ
れたチョップド繊維とすることができる。As a device for cutting the fiber bundle, a rotary cutter such as a roving cutter or a guillotine cutter, which is commonly used in glass fibers, can be used in the same manner. In particular, when cutting a fiber bundle that has been wet with a sizing liquid, it is preferable to cut while trying to attach the chopped fibers to a rotating portion such as a roller or removing the attached chopped fibers with a brush or the like. In particular, when cutting, controlling the twist number, packing density, and liquid content of the fiber bundle within an appropriate range, the chopped carbon fibers are divided into longitudinal cracks in the fiber axial direction at an appropriate ratio, resulting in fluidity and bundleability. Can be more improved chopped fiber.
【００２２】本発明のチョップド炭素繊維を強化材とし
て、マトリックス樹脂と組み合わせることにより、炭素
繊維強化樹脂を製造することができる。繊維強化樹脂中
には、チョップド繊維３〜７０重量％と、マトリックス
樹脂９７〜３０重量％とを含んでなるのが一般的であ
る。通常、マトリックス樹脂としては熱可塑性樹脂が用
いられる。熱可塑性樹脂としては、アクリロニトリル−
ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリアミ
ド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、
ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリア
セタール、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエ
ーテルスルホン、ポリフェニレンオキサイド、変性ポリ
フェニレンオキサイド、ポリフェニレンスルフィド、ポ
リエーテルケトンあるいはこれら樹脂のアロイ等、ほと
んど全ての熱可塑性樹脂を使用することができる。By using the chopped carbon fiber of the present invention as a reinforcing material and combining it with a matrix resin, a carbon fiber reinforced resin can be produced. The fiber reinforced resin generally contains 3 to 70% by weight of chopped fibers and 97 to 30% by weight of matrix resin. Usually, a thermoplastic resin is used as the matrix resin. As the thermoplastic resin, acrylonitrile-
Butadiene-styrene copolymer (ABS), polyamide, polycarbonate, polyethylene terephthalate,
Almost all thermoplastic resins such as polybutylene terephthalate, polypropylene, polyacetal, polyetherimide, polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene oxide, modified polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyether ketone or alloys of these resins can be used. .
【００２３】[0023]
【実施例】以下に、実施例に基づいて本発明をさらに具
体的に説明する。まず、本実施例で用いたチョップド炭
素繊維の各特性の測定方法について説明する。
〔チョップド炭素繊維の集束性〕強制攪拌テストで行っ
た。すなわち１０００ccビーカーに２００ccのチョップ
ド炭素繊維を投入し、攪拌モーターにて１００ｒｐｍで
３０分攪拌した後の嵩密度を測定し、その値を集束性の
目安とした。
［チョップド炭素繊維の流動性］スクリューフィーダー
を有するホッパー容量０．３ｍ3の押出機に、チョップ
ド炭素繊維と樹脂ペレットを連続的に自動計量の下に供
給する。得られた繊維強化樹脂における繊維含有率が所
望の値に安定に制御出来る、すなわち計量性が良好な場
合を、「流動性良好」、計量性が不安定になれば「流動
性不良」と判定した。
〔チョップド炭素繊維のフリーファイバー発生率〕２０
００ｃｃのメスシリンダーに、予め質量を測定した約５
００ｃｃのチョップド炭素繊維を試料として投入し密封
する。密封したメスシリンダーを、その高さ方向を軸と
して、２０分間２５ｒｐｍで回転させる。メスシリンダ
ーの回転を止め、試料を＃４の篩に移し篩い分けする。
篩いに残ったフリーファイバーを採取しその質量を測定
する。試料全体の質量に対するフリーファイバーの質量
の百分率割合をフリーファイバー発生率とする。
（実施例１）単繊維本数７０，０００本、総繊度４９，
５００ｄｔｅｘ、目付５．５ｇ／ｍの炭素繊維束を、水
分散性を有するポリウレタン系サイジング剤（フィルム
１００％引張弾性率：１．５ＭＰａ）を濃度１０ｇ／Ｌ
で水に分散させた第１段のサイジング液（粘度０．０５
ポイズ、液温３０℃）に、下部がサイジング液に浸漬し
て設けられたローラ上で炭素繊維束を幅／厚み比約１０
０倍に拡げつつ浸漬させ、続いて２００℃で３分間乾燥
させてボビンに巻きあげた。繊維束へのサイジング剤の
付着量は０．５重量％であった。続けて、その繊維束
に、第１段のサイジング液で用いたのと同じサイジング
剤を濃度５０ｇ／Ｌで水に分散させた第２段のサイジン
グ液（粘度０．５ポイズ、液温３０℃）をガイド給油方
式で付与し、その後ロービングカッターで長さ６ｍｍに
切断し、次いでオーブンの金網を振動数１６サイクル／
秒、振幅６ｍｍで振動させながら１９０℃で５分間乾燥
させて、サイジング剤の総付着量が２．０重量％のチョ
ップド炭素繊維を得た。得られたチョップド炭素繊維の
切断面を走査型電子顕微鏡で観察すると、チョップド繊
維の外側に多くのサイジング剤が付着しているのが観察
された。得られたチョップド炭素繊維の集束性、流動
性、フリーファイバー発生率を測定した結果を表１に示
す。得られたチョップド炭素繊維の流動性試験では、閉
塞を起こすことはなく、また設定した繊維含有率３０重
量％のペレットが得られ計量性に全く問題なく工程を通
過できた。
（実施例２）第１段のサイジング液を、エポキシ系サイ
ジング剤を濃度１０ｇ／Ｌで水に分散させたもの（粘度
０．０５ポイズ、液温３０℃）に変更した以外は、実施
例１と同様にしてサイジング剤の総付着量が２．０重量
％であるチョップド炭素繊維を得た。なお、第２段のサ
イジング液でのサイジング処理をする前の繊維束には
０．５重量％のサイジング剤が付着していた。得られた
チョップド炭素繊維の集束性、流動性、フリーファイバ
ー発生率を測定した結果を表１に示す。
（実施例３）第１段のサイジング液を、水溶性ナイロン
系サイジング剤を濃度１０ｇ／Ｌで水に分散させたもの
（粘度０．０７ポイズ、液温４０℃）に変更し、第２段
目のサイジング処理に用いるサイジング液を、第１段と
同じサイジング剤を濃度５０ｇ／Ｌで水に分散させたも
の（粘度０．８ポイズ、液温４０℃）に変更した以外は
実施例１と同様にして、サイジング剤の総付着量が２．
３重量％のチョップド炭素繊維を得た。なお、第２段の
サイジング液でのサイジング処理をする前の繊維束には
０．６重量％のサイジング剤が付着していた。得られた
チョップド炭素繊維の集束性、流動性、フリーファイバ
ー発生率を測定した結果を表１に示す。
（実施例４）液浸ローラ上での繊維束の幅／厚み比を約
１０倍に拡げるよう張力を変更した以外は実施例２と同
様にしてサイジング剤の総付着量が２．０重量％のチョ
ップド炭素繊維を得た。なお、第２段のサイジング液で
のサイジング処理をする前の繊維束には０．５重量％の
サイジング剤が付着していた。得られたチョップド炭素
繊維の集束性、流動性、フリーファイバー発生率を測定
した結果を表１に示す。
（比較例１）第１のサイジング液を、実施例１で用いた
サイジング剤を濃度５０ｇ／Ｌで水に分散させたもの
（粘度０．５ポイズ、液温３０℃）に変更した以外は、
実施例１と同様にしてサイジング剤の総付着量が２．１
重量％のチョップド炭素繊維を得た。なお、第２段のサ
イジング液でのサイジング処理をする前の繊維束には
０．６重量％のサイジング剤が付着していた。得られた
チョップド炭素繊維の集束性、流動性、フリーファイバ
ー発生率を測定した結果を表１に示す。
（比較例２）第１段のサイジング液でのサイジング処理
を行わず、かつ、第２段のサイジング液として、実施例
１で用いたのと同じサイジング剤を濃度５０ｇ／Ｌで水
に分散したもの（粘度０．５ポイズ、液温３０℃）を用
いた以外は、実施例１と同様にして、サイジング剤の総
付着量が１．７重量％のチョップド炭素繊維を得た。得
られたチョップド炭素繊維の集束性、流動性、フリーフ
ァイバー発生率を測定した結果を表１に示す。EXAMPLES The present invention will be described in more detail based on the following examples. First, a method of measuring each characteristic of the chopped carbon fiber used in this example will be described. [Chopped carbon fiber focusing property] A forced agitation test was performed. That is, 200 cc of chopped carbon fiber was put into a 1000 cc beaker, and the bulk density was measured after stirring with a stirring motor at 100 rpm for 30 minutes, and the value was used as an index of focusing property. [Flowability of chopped carbon fibers] Chopped carbon fibers and resin pellets are continuously fed under automatic weighing to an extruder having a screw feeder and a hopper capacity of 0.3 m 3 . When the fiber content in the obtained fiber reinforced resin can be stably controlled to a desired value, that is, when the meterability is good, it is judged as "good fluidity", and when the meterability becomes unstable, it is judged as "poor fluidity". did. [Rate of free fiber of chopped carbon fiber] 20
Approximately 5 weighed in advance in a measuring cylinder of 00cc
00cc of chopped carbon fiber is added as a sample and sealed. The sealed graduated cylinder is rotated at 25 rpm for 20 minutes with the height direction as an axis. The rotation of the graduated cylinder is stopped, and the sample is transferred to the # 4 sieve and sieved.
The free fiber remaining on the sieve is collected and its mass is measured. The percentage of the mass of free fiber to the mass of the whole sample is defined as the free fiber generation rate. (Example 1) Number of single fibers 70,000, total fineness 49,
A carbon fiber bundle of 500 dtex and a basis weight of 5.5 g / m was added with a water-dispersible polyurethane sizing agent (film 100% tensile elastic modulus: 1.5 MPa) at a concentration of 10 g / L.
The first-stage sizing solution (viscosity 0.05
The width / thickness ratio of the carbon fiber bundle is about 10 on a roller provided by immersing the lower part in a sizing solution at a poise and a liquid temperature of 30 ° C).
It was dipped while being spread 0 times, then dried at 200 ° C. for 3 minutes and wound on a bobbin. The amount of the sizing agent attached to the fiber bundle was 0.5% by weight. Subsequently, the same sizing agent as that used in the first-stage sizing liquid was dispersed in water at a concentration of 50 g / L in the fiber bundle, and the second-stage sizing liquid (viscosity 0.5 poise, liquid temperature 30 ° C.). ) By a guide oiling method, and then cut by a roving cutter to a length of 6 mm, and then the wire mesh of the oven is oscillated at a frequency of 16 cycles /
It was dried at 190 ° C. for 5 minutes while vibrating for 6 seconds with an amplitude of 6 mm to obtain chopped carbon fiber having a total amount of the sizing agent attached of 2.0% by weight. When the cut surface of the obtained chopped carbon fiber was observed with a scanning electron microscope, it was observed that many sizing agents were attached to the outside of the chopped fiber. Table 1 shows the results of measuring the bundling property, fluidity, and free fiber generation rate of the obtained chopped carbon fiber. In the fluidity test of the obtained chopped carbon fibers, no clogging occurred, and pellets having a set fiber content of 30% by weight were obtained, and the pellets could be passed through the process without any problem in terms of meterability. (Example 2) Example 1 except that the first-stage sizing liquid was changed to a dispersion of an epoxy-based sizing agent in water at a concentration of 10 g / L (viscosity 0.05 poise, liquid temperature 30 ° C). In the same manner as above, a chopped carbon fiber having a total amount of the sizing agent attached of 2.0% by weight was obtained. Incidentally, 0.5% by weight of the sizing agent was attached to the fiber bundle before the sizing treatment with the second-stage sizing liquid. Table 1 shows the results of measuring the bundling property, fluidity, and free fiber generation rate of the obtained chopped carbon fiber. (Example 3) The sizing liquid of the first step was changed to a water-soluble nylon-based sizing agent dispersed in water at a concentration of 10 g / L (viscosity 0.07 poise, liquid temperature 40 ° C), and the second step Example 1 except that the sizing solution used for the eye sizing treatment was changed to a solution in which the same sizing agent as in the first step was dispersed in water at a concentration of 50 g / L (viscosity 0.8 poise, liquid temperature 40 ° C.). Similarly, the total amount of the sizing agent deposited is 2.
3% by weight of chopped carbon fiber was obtained. Note that 0.6% by weight of the sizing agent was attached to the fiber bundle before the sizing treatment with the second-stage sizing liquid. Table 1 shows the results of measuring the bundling property, fluidity, and free fiber generation rate of the obtained chopped carbon fiber. (Example 4) The total amount of sizing agent adhered was 2.0% by weight in the same manner as in Example 2 except that the tension was changed so that the width / thickness ratio of the fiber bundle on the immersion roller was expanded to about 10 times. To obtain chopped carbon fiber. Incidentally, 0.5% by weight of the sizing agent was attached to the fiber bundle before the sizing treatment with the second-stage sizing liquid. Table 1 shows the results of measuring the bundling property, fluidity, and free fiber generation rate of the obtained chopped carbon fiber. (Comparative Example 1) Except that the first sizing liquid was changed to one in which the sizing agent used in Example 1 was dispersed in water at a concentration of 50 g / L (viscosity 0.5 poise, liquid temperature 30 ° C),
In the same manner as in Example 1, the total amount of the sizing agent deposited was 2.1.
A wt% chopped carbon fiber was obtained. Note that 0.6% by weight of the sizing agent was attached to the fiber bundle before the sizing treatment with the second-stage sizing liquid. Table 1 shows the results of measuring the bundling property, fluidity, and free fiber generation rate of the obtained chopped carbon fiber. (Comparative Example 2) The same sizing agent used in Example 1 was dispersed in water at a concentration of 50 g / L as the second stage sizing solution without performing the sizing treatment with the first stage sizing solution. A chopped carbon fiber having a total amount of the sizing agent attached of 1.7% by weight was obtained in the same manner as in Example 1 except that the one (viscosity 0.5 poise, liquid temperature 30 ° C.) was used. Table 1 shows the results of measuring the bundling property, fluidity, and free fiber generation rate of the obtained chopped carbon fiber.
【００２４】[0024]
【表１】 [Table 1]
【００２５】[0025]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来より単繊維本数の多い炭素繊維束を用いて、流動性
や集束性等の取扱い性に優れたチョップド炭素繊維を得
るに適した炭素繊維束を製造することができ、そのよう
な炭素繊維束から得られたチョップド炭素繊維は、繊維
強化樹脂となす場合の押出工程における工程通過性が優
れている。As described above, according to the present invention,
It is possible to manufacture a carbon fiber bundle suitable for obtaining a chopped carbon fiber having excellent handleability such as fluidity and bundling property by using a carbon fiber bundle having a large number of single fibers, and such a carbon fiber bundle is used. The chopped carbon fiber obtained from (3) has excellent processability in the extrusion process when it is used as a fiber-reinforced resin.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3B154 AA14 AB09 BA05 BB39 BB47 BC22 BD04 BD18 BE05 BF15 CA50 DA22 4G146 AA01 AB06 AC01A AC01B BB03 CB08 4L033 AA09 AC12 CA18 CA45 CA48 CA49 CA50 CA55 4L037 AT03 CS03 FA01 FA02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F term (reference) 3B154 AA14 AB09 BA05 BB39 BB47 BC22 BD04 BD18 BE05 BF15 CA50 DA22 4G146 AA01 AB06 AC01A AC01B BB03 CB08 4L033 AA09 AC12 CA18 CA45 CA48 CA49 CA50 CA55 4L037 AT03 CS03 FA01 FA02
Claims (6)
束ねられた連続炭素繊維束に、粘度が０．０１〜０．１
ポイズであるサイジング液でサイジング処理を行った
後、さらに粘度０．２〜２０ポイズであるサイジング液
でサイジング処理を行うことを特徴とする、サイズされ
た炭素繊維束の製造方法。1. A continuous carbon fiber bundle in which the number of single fibers is bundled in the range of 15,000 to 1,000,000, and the viscosity is 0.01 to 0.1.
A method for producing a sized carbon fiber bundle, which comprises performing a sizing treatment with a sizing liquid having a poise and further performing a sizing treatment with a sizing liquid having a viscosity of 0.2 to 20 poise.
またはサイジング水溶液である、請求項１に記載のサイ
ズされた炭素繊維束の製造方法。2. The method for producing a sized carbon fiber bundle according to claim 1, wherein the sizing liquid is a sizing aqueous dispersion or a sizing aqueous solution.
ジング液でのサイジング処理に際して、少なくとも一部
がサイジング液に浸漬して設けられたローラ上で、連続
炭素繊維束を５０以上の幅／厚み比に拡幅する、請求項
１または２に記載のサイズされた炭素繊維束の製造方
法。3. A sizing treatment with a sizing liquid having a viscosity of 0.01 to 0.1 poise, in which at least a part of the continuous carbon fiber bundle is dipped in the sizing liquid and a continuous carbon fiber bundle of 50 or more is provided. The method for manufacturing a sized carbon fiber bundle according to claim 1, wherein the carbon fiber bundle is widened to a width / thickness ratio.
液でのサイジング処理に際して、サイジング液をガイド
給油する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のサイズ
された炭素繊維束の製造方法。4. The production of a sized carbon fiber bundle according to claim 1, wherein the sizing liquid is guided and oiled during the sizing treatment with the sizing liquid having a viscosity of 0.2 to 20 poises. Method.
ル樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル
樹脂およびポリエーテル樹脂からなる群より選ばれる少
なくとも一種の樹脂を主成分とするサイジング剤が含ま
れる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のサイズされ
た炭素繊維束の製造方法。5. The sizing liquid contains a sizing agent containing, as a main component, at least one resin selected from the group consisting of urethane resin, acrylic resin, epoxy resin, polyamide resin, polyester resin and polyether resin. Item 5. A method for producing a sized carbon fiber bundle according to any one of Items 1 to 4.
方法で製造される、サイズされた炭素繊維束を長さ１〜
１０ｍｍに切断して得られるチョップド炭素繊維。6. A sized carbon fiber bundle produced by the production method according to any one of claims 1 to 5 having a length of 1 to
Chopped carbon fiber obtained by cutting into 10 mm.
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